夸克，黑洞与上帝

黄启新

夸克

「夸克」（quark）1是组成物质的两种基本粒子的其中一种2。1961年理论物理学家盖尔曼（Murray Gell-man）提出「八正道」（Eightfold Way）理论，并导致后来「夸克模型」（Quark Model）的发展。3

简单来说，我们所熟识的质子（proton）和中子（neutron）等「强子」（hadron）都是由更基本的夸克所组成。自然界有六种已知的夸克存在（见下表），

世代

名称

符号

电荷
1

上夸克（Up quark）

 u

+2/3
1

下夸克（Down quark）

 d

−1/3
2

奇夸克（Strange quark）

 s

−1/3
2

魅夸克（Charm quark）

 c

+2/3
3

底夸克（Bottom quark)

 b

−1/3
4

顶夸克（Top quark）

 t

+2/3

质子是由三粒夸克（两粒上夸克和一粒下夸克）所组成：

    p = u + u + d

因为上夸克的电荷为+2/3，而下夸克的电荷为-1/3，所以质子的总电荷为+1（+2/3+2/3-1/3= +1）。

同样地，中子是由三粒夸克（一粒上夸克和两粒下夸克）所组成：

    n = u + d + d

中子的总电荷为零（+2/3-1/3-1/3=0）。 

介子（meson）则是由两粒夸克所组成。例如π+介子是由一粒上夸克和一粒反下夸克（anti-down quark）所组成4：

    π+ = u + d

π+介子的总电荷为+1（+ 2/3+1/3=+1）。

强子中的夸克是被「强作用力」（Strong Interaction）捆绑在一起的，而支配强作用力的量子理论是「量子色动力学」（Quantum Chromodynamics 或QCD ）。根据QCD，夸克是透过交换胶子（gluon）发生相互作用，而紧密地连结成强子。

从来没有人见过单独存在的夸克，高能撞击亦未能释出自由的夸克－ 这就是所谓「夸克禁闭」（Quark Confinement）。 QCD并没有在夸克禁闭的问题上作出严格的解析证据，以说明夸克禁闭的由来。高斯（David Gross），波利策（David Politzer）及韦尔切克（Frank Wilczek）于1973年证明如果把强子内的夸克分得越开，它们之间强作用力的吸力便越大，因此不可能把夸克分开；相反当夸克越接近，强作用力便越弱，这就是所谓「渐近自由」（Asymptotic Freedom）5。

正因为渐近自由的关系，要证明夸克的存在唯有倚靠间接的方法。深入非弹性散射（deep inelastic scattering）实验为强子是由夸克组成提供了证据。在1967年至1973年间，史丹福线性加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center - SLAC）的物理学家利用高能电子撞击质子和中子，并意外地发现很多大角度散射，情况就好像物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford）于1909年用α粒子射向金箔的实验一样，由此证明质子和中子是由更小的粒子（夸克）构成。

虽然从来没有人见过单独存在的夸克，但是相信现时没有人会怀疑夸克的存在。事实上，已有多名物理学家因为夸克的研究而获得诺贝尔奖：

  • 盖尔曼于1969年因他对基本粒子以及其相互作用分类的贡献和发现而获得诺贝尔奖。
  • 丁肇中（Samuel Chao Chung Ting）和黎克特（Burton Richter）于1976年因为发现J/Ψ粒子而证实重子物质由夸克所组成而获得诺贝尔奖。
  • 弗里德曼（Jerome Friedman），肯德尔（Henry Kendall）及泰勒（Richard Taylor）于1990年因为电子对质子和中子的深部非弹性散射的调查有助夸克模型的发展而获得诺贝尔奖。
  • 高斯，波利策及韦尔切克于2004年因为他们在强相互作用中发现渐近自由而获得诺贝尔奖。

黑洞

黑洞（black hole）是太空中的一个天体区域，它的引力场十分强大，甚至光线都被它强大引力拉回，所以黑洞本身不会发光，因此被称为「黑洞」。 6

早于1795年，法国数学家、物理学家和天文学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）就提出黑洞这个概念。他指在出一个质量足够大的星球表面，它的引力场会强大得连光线都不可能逃出去。

根据爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论（General Theory of Relativity），当一个质量足够大的星体，当核熔合燃料不足够维持本身温度，去抗衡星体自身的引力时，无限的引力坍缩（gravitational collapse）就会形成黑洞。 7

虽然黑洞是看不见的，但天文学家可借着观察黑洞周围物质被吸引时的情况（例如强大的气体喷射和稳定的强辐射放射）去找出黑洞位置。

虽然没有人见过黑洞，可是现时大部份天文学家都相信黑洞的存在，他们什致相信银河系中心有一个超重质量黑洞（supermassive black hole）。加洲大学洛杉矶分校（UCLA）的银河中心小组（Galactic Center Group）于2004年发现银河系中心物体的质量相等于3,800,000个太阳质量，而半径只有6.25光小时8，只有黑洞能够在这么小的空间里有这么巨大的质量。

哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）亦于1995年位于距离地球大约一亿光年的NGC 4261螺旋形星系的中心发现另一个超重质量黑洞，其质量大约为太阳质量的12亿（1,200,000,000）倍。 9

 天文学家亦相信在M87星系中心有一个超重质量黑洞存在，其质量大约为太阳质量的30亿（3,000,000,000）倍，但体积却只是与太阳系相若。 10

上帝

读者读到这里可能会问，究竟夸克，黑洞与上帝有什么关系呢？以下是其相同之处：

从来没有人见过

我们已经谈过为何人不能看见夸克和黑洞的原因。在圣经出埃及记三十三：20，上帝亦向摩西说出我们不能看见衪的原因：

「（耶和华）又说、你不能看见我的面、因为人见我的面不能存活。」

原来只有死人能见到神的面，即使摩西能够与上帝好像人与朋友说话一般面对面说话，亦不能见​​上帝的面。

间接的证据多不胜数

虽然我们无法「直接」证明夸克和黑洞的存在，但可以以「间接」的方法去证明。同样地，我们亦有排山倒海的科学证据，去间接证明上帝的存在。

圣经罗马书 一:20说：

「自从造天地以来、 神的永能和神性是明明可知的、虽是眼不能见、但借着所造之物、就可以晓得、叫人无可推诿．」

没错，我们的确可以从宇宙万物中看见上帝。随着科技的发达，科学家发现越来越多证据去证明人类的出现并非偶然，而是出于一系列精细得不能想像的微调－ 其中包括数以百计的宇宙微调11及地球微调12。

例如：

  • 电子和质子的数目相等的精确性高达1037分之一，否则宇宙的电磁力就会支配重力，以致星系、星体、行星和生命无法形成。
  • 电磁力常数和引力常数比例的精高达确性1040分之一，否则生命不可能形成。
  • 地球与太阳的距离适中：太远（地球就会太冷）或太近（地球就会太热）的话，地球就不可能有稳定的水循环（water cycle）。
  • 地球的自转周期适中：太长的话，日夜的温差就会太大；太短的话，大气层的风速就会太高。

同样地，自然生命的复杂与奥妙绝非进化论可以解释的。例如DNA里所储藏复杂的资料和指令，以及好像细菌鞭毛（bacterial flagellum）等奇妙的分子机器（molecular machine）13，都令科学家叹为观止。

圣经约伯记十二：7-9说得好：

 「你且问走兽、走兽必指教你．又问空中的飞鸟、飞鸟必告诉你．或与地说话、地必指教你．海中的鱼、也必向你说明。看这一切、谁不知道是耶和华的手作成的呢。」

的确，天地万物都述说上帝的大能。

很多人以为看不见，不能以科学方法直接验证的东西就不存在，并因此不相信有神。其实一些看不见，但能够透过间接方法证明的东西亦是值得我们相信的。既然我们可以相信夸克和黑洞的存在，为何不能接受一位创造万物的上帝呢？

 

1. 「夸克」又称「层子」。
2. 另一类基本粒子为「轻子」（lepton），电子（electron）就是轻子的一种。
3. 以色列物理学家尼曼（Yuval Ne'eman）亦独立地提出这套理论。
4. 「反下夸克」是下夸克的「反粒子」。反粒子是相对于正常粒子而言的，它们的质量、寿命、自旋都与正常粒子相同，但是所有的内部相加性量子数（比如电荷、重子数、奇异数等）都与正常粒子大小相同、而符号相反。
5. 强子内夸克之间的强作用力有点像橡胶带，如果你尝试把介子中的两粒夸克拉开，夸克之间的势能（potential energy）随着距离增加而增加，情况就好像把一条橡胶带拉长一样。当势能大于夸克对质量（即大于2mc2）时，这条橡胶带就会断，而在断处会出现一对新的夸克-反夸克，最后变成两粒介子，而非两粒单独存在的夸克（见下图）。

<-----  ( q -------- q )  - ---->
<-----  ( q ----------- ----- q )  ----->
<-----  ( q -------- qq -- ------ q )  ----->
<-----  ( q -------- q )    ( q -------- q )  ----->

6. 「黑洞」这个名词是由物理学家伟勒（John Wheeler）于1967年提出的。
7. 质量小于3.2个太阳质量的星体将形成白矮星（white dwarf）或中子星（neutron star）等致密天体；质量大于3.2个太阳质量的星体将形成黑洞。 （参考：方励之褚耀泉，《从牛顿定律到爱因斯坦相对论》，南粤出版社，1989，p.99）
8. 参考UCLA Galactic Center Group 网站。
9. 参考​​HUBBLESITE 网站。
10. 参考University of Tennessee Astrophysics University of Tennessee 网站。
11. 参考《精密微调的宇宙》一文及Reasons To Believe 网站。
12. 参考Reasons To Believe 网站。
13. Michael J. Behe​​, Darwin's Black Box, Free Press, 1996, p.69